DE1774161B2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Die Anwendung von Lasern für elektronische Datenverarbeitungsmaschinen ist wegen der Kompliziertheit des gesamten optischen Abtastsystems außerhalb des optischen Resonators nicht weit über experimentelle Anläufe hinausgekommen. Die relativ neue Vorrichtung eines Abtas'Jasers wird als besonders interessant für die Rechenmaschinentechnik erachtet, insbesondere für den Entwurf und die Fabrikation von Laser-Speichern. Der Abtastlaser, besonders der digita-Ie Abtastlaser, hat den Vorteil, die Auswahl einer entsprechenden nichtaxialen Eigenschwingung vollständig innerhalb des optischen Resonators vornehmen zu können und erscheint dadurch zur Anwendung von Abtastspeichern in Verbindung mit Hologrammen mit großer gespeicherter Informationsmenge besonders geeignet. Gegenüber diesem Vorteil hat der digitale Abtastlaser aber den Nachteil einer ihm eigenen geringen Geschwindigkeit bei Umschaltung von einer nichtaxialen Eigenschwingung auf die andere.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es also, eine Vergrößerung der Geschwindigkeit zum Übergang von einer nichtaxialen Eigenschwingung auf die andere bei einem solchen Abtastlaser zu erreichen, mit anderen Worten, die Emissionsrichtung des Abtastlasers innerhalb kürzester Zeit zu ändern. Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen.

Aus der japanischen Veröffentlichung »Schwingungscharakteristiken zweier parallelverbundener Rubin-La- ser«, Sato, Kihuchi, Sakurai, 1965, »Joint Conference of Electro Communication, Institute of Japan« ist es an sich bekannt, die Schwingung eines ersten Lasers bei Durchgang durch einen durchlässigen Spiegel in einen zweiten Laser zu verstärken und dann die verstärkte Schwingung wieder durch den genannten durchlässigen Spiegel auf den ersten Laser zurückzuübertragen (Fig. 1, Seite 425), so daß ein entsprechend verstärkter Laserimpuls zur Abstrahlung gelangt. Die genannten Laser sind jeoch nicht als Abtastiaser verwendbar.

Die vorliegende Erfindung betrifft nicht die Anregung eines zweiten Lasers seitens eines ersten Lasers zu verstärkter Laserimpulsabgabe, sondern ist auf die zu verbessernde Wirkungs- und Betriebsweise eines Abtastlasers gerichtet.

Der Hochgeschwindigkeitsabtastlaser gemäß der Erfindung kann beim Umschalten von einer selektierten nichtaxialen Eigenschwingung in eine andere wesentlich schneller operieren als Abtastlaser nach dem Stand der Technik ohne Anreicherung durch einen zweiten Laser. Da die anfängliche Energie oder Photonendichte einer zu selektierenden Eigenschwingung in einem Abtastlaser nach dem Stand der Technik zur Zeit des Umschaliimpulses in die selektierte nichtaxiale Eigenschwingung relativ niedrig ist, läßt sich eine beträchtliche Zeitverzögerung vom Zeitpunkt des Einschaltens bis zum Zeitpunkt einer für die kritische Inversion ausreichenden Verstärkung feststellen. Der Anreicherungslaser erhöht in so vorteilhafter Weise die anfängliche Energiedichte im Abtastlaser gegenüber der Energiedichte, welche ohne zusätzlichen Anreicherungslaser bestehen würde, so daß gegenüber bekannten Anordnungen das zum Erreichen der Laserschwelle benötigte Zeitintervall wesentlich verkürzt wird.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden zur Bildung des optischen Resonators für den Abtastlaser planare, parallel zueinander liegende Spiegel angewendet, wobei unmittelbar rechts und links des aktiven Mediums Sammellinsen angeordnet sind und der Polarisator zwischen einer der Sammellinsen und dem zugeordneten Spiegel liegt.

Fernere vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung läßt sich dem Unteranspruch entnehmen.

Die Erfindung wird an Hand einer Ausführungsbeispiels-Beschreibung mit Hilfe der nachstehend aufgeführten Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 den schematischen Aufbau eines Abtastlasers,

Fig.2a und 2b Teilelemente des Abtastlasers zur Auswahl einer bestimmten nichtaxialen Eigenschwingung,

F i g. 3 den schematischen Gesamtaufbau des Abtastlasers mit dem Anreicherungslaser,

F i g. 4 eine graphische Darstellung der Funktion der Photonendichte für eine wirksame Eigenschwingung in Abhängigkeit von der Zeit.

Vor der Beschreibung des Anreicherungslasers soll zum besseren Verständnis der Erfindung ein digitaler Abtastlaser beschrieben werden. Der in F i g. 1 dargestellte Äblastlaser enthält das eigentliche aktivierbare Medium 1 zwischen den beiden Konvexlinsen 2 und 3. Links von der Linse 2 befindet sich ein Schalter 5 zur Auswahl einer nichtaxialen Eigenschwingung, der eine stark reflektierende Oberfläche 5a mit einem typischen Reflexionsvermögen von 99,75% aufweist. Rechts von der Linse 3 befindet sich ein Polarisator 6 und ein zweiter Schalter 7 zur Auswahl einer nichtaxialen Eigenschwingung, der eine Oberfläche Ta mit einem Reflexionsvermögen von etwa 95% und einer Durchlas-

sigkeit von etwa 5% aufweist, die zum Austritt eines Laserstrahls dient. Eine Pumpvorrichtung 9 dient zum optischen Pumpen im Medium 1. Die gesamte Anordnung bildet einen optischen Resonator. Der Polarisator 6 gestattet nur eine Laserschwingung für solches Licht, welches in der vom Polarisator 6 durchgelassenen Schwingungsrichtung polarisiert ist.

Der Auswahlmechanismus irgend einer nichtaxialen Eigenschwingung aus der Vielzahl möglicher räumlicher nichtaxialer Eigenschwingungen wird gesteuert durch die Auswahlbauelemente 5 und 7, die im einzelnen in den Fi g. 2a und 2b gezeigt sind. In Fig.2A besteht das Auswahlbauelement aus horizontal aufeinandergeschichteten dünnen elektrooptischen, Kerreffekt aufweisenden Kristallen 5b, welche etwa aus Lithiumtantalat, Lithiumniobat oder KDP (Kaliumdihydrogenphosphat) bestehen können und unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes doppelt brechend werden. Das elektrische Feld wird durch Spannungen über die Anschlüsse 5c und die Elektroden 5d, welche je zwischen zwei aufeinanderliegenden Kristallen 5b zu liegen kommen, angelegt. Das Auswahlbauelement 7 ist in Fig.2b gezeigt und besteht entsprechend dem Auswahlbauelement 5 ebenfalls aus geschichteten dünnen elektrooptischen, Kerreffekt aufweisenden Kristallen 7b, 7c und 7d. Wie aus F i g. 1 zu entnehmen ist, sind die beiden Auswahlbauelemente hinsichtlich der Kristallschichtung zueinander im Winkel von 90° orientiert.

Wie schon oben erwähnt, weist der digitale Abtastlaser eine Vielzahl von möglichen räumlich getrennten nichtaxialen Eigenschwingungen auf, von denen eine dadurch ausgewählt wird, daß eine geeignete Spannungsverteilung durch die Spannungsquellen Vl und V2andie Auswahlbauelemente 5 und 7 gelegt wird. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. I besteht jedes Auswahlbauelement aus 32 Kristallen, die im ganzen 1024 mögliche Strahlrichtungen dieses Abtastlasers ermöglichen. Vom Anlegen der geeigneten Auswahlspannung an die Auswahlbauelemente 5 und 7 bis zur Aussendung eines Lichtstrahls in die gewünschte Richtung vergeht eine relativ lange Zeit, die zwischen 300 und 1000 Nanosekunden beträgt. Diese Dauer ist darauf zurückzuführen, daß die Photonendichte in der ausgewählten nichtaxialen Eigenschwingung am Anfang sehr gering ist.

Die Wirkungsweise des digitalen Abtastlasers wird im folgenden beschrieben. Anfänglich liegt an allen Spannungsklemmen 5c bzw. 7c der beiden Auswahlbauelemente 5 und 7 eine solche Spannung, daß alle Kristalle 5b bzw. 7b doppelbrechend sind. Wenn man davon ausgeht, daß ein Lichtstrahl in der linken Hälfte des Mediums 1 entsteht und sich nach rechts fortpflanzt, so wird die Intensität des Lichts beim Durchgang durch das Medium 1 stark durch stimulierte Emission verstärkt. Das Licht wird nach Durchtritt durch die Linse 3 im Polarisator 6 in einer bestimmten Ebene polarisiert. Beim darauffolgenden Durchtritt durch irgendeinen der elektrooptischen Kristalle 5b bzw. 7b mit Doppelbrechung im Auswahlbauelement 7 ".vird das vorher in einer Ebene linear polarisierte Licht elliptisch polarisiert, dann durch die spiegelnde Oberfläche 7a reflektiert und beim wiederholten Durchtritt durch den elektrooptischen Kristall in. Auswahlbauelement 7 zu einem weiteren Prozentsatz elliptisch polarisiert. Bei der Rückkehr durch den Polarisator 6 wird diejenige Komponente des Lichtes, weiche senkrecht zu der Polarisationsebene liegt, nicht durchgelassen, so daß hieraus ein Intensitätsverlust des Strahles resultiert. Bei der Fortpflanzung nach links wird der geschwächte Sti ahl wiederum in dem aktiven Medium 1 verstärkt, tritt durch die Linse 2 und durch das Auswahlbauelement 5. Durch die Spiegeloberfläche 5a wird der Strahl durch das Auswahlbauelement 5 wieder zurückreflektiert und dabei elliptisch polarisiert. Nach wiederholter Verstärkung im Medium 1 wird das elliptisch polarisierte Licht wiederum nach Durchtritt durch die Linse 3 im Polarisator 6 geschwächt, weil nur der Anteil parallel zur Polarisationsebene durchgelassen wird. Wenn nun in sinnvoller Weise die Elliptizität des Lichtes nach Durchgang durch die Auswahlbauelemente 5 und 7 so groß ist, daß der im Polarisator 6 ausgeblendete Anteil des Lichtes größer ist als der Zuwachs, hervorgerufen durch die Verstärkung im aktiven Medium 1, so wird im ganzen die Strahlintensität nicht verstärkt, und es wird sich in keiner der möglichen nichtaxialen Eigenschwingungen eine Laserwirkung einstellen. Wenn man nun von den jeweils ausgewählten optischen Kristallen 5b bzw. 7b in jedem der beiden Auswahlbauelemente 5 und 7 die elektrische Vorspannung abschaltet wird ein Strahlengang bestimmter Lage aufgebaut, in der dann keine durch Doppelbrechung verursachte elliptische Polarisation auftritt und daher keine Verluste im Polarisator 6 erfolgen. In diesem Falle und nur für diese ausgezeichnete räumliche Richtung (nichtaxiale Eigenschwingung) resultiert eine beträchtliche Verstärkung der Intensität, wodurch sich Laserschwingungen aufbauen können. Es ergibt sich ein ausgesandter Lichtstrahl entlang einer Richtung, die durch die beiden ausgewählten elektrooptischen Kristalle in den beiden Auswahlbauelementen 5 und 7 bestimmt ist. Um eine Richtungsänderung des Lichtstrahls von einer in eine andere nichtaxiale Eigenschwingung zu bewirken, wird die ursprünglich vorhandene Vorspannung an die betreffenden Kristalle wiederum angelegt und dann die Vorspannung von einem anderen ausgewählten Paar von elektrooptischen Elementen abgeschaltet, so daß eine Lichtaussendung in neu gewählter Richtung stattfindet.

Das Anschalten eines Abtastlasers in einer bestimmten nichtaxialen Eigenschwingung erfolgt in zwei Schritten, dargestellt in F i g. 4, in der die Photonendichte (d. h. Strahlintensität) in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen ist. Zu Anfang ist die Anzahl der Photonen in einer nichtaxialen Eigenschwingung sehr gering, was durch /0 dargestellt ist. Zu einer Zeit f₀ wird eine selektierte nichtaxiale Eigenschwingung »eingeschaltet«, was durch Abschalten der Vorspannung von den entsprechenden elektrooptischen Kristallen der beiden Auswahlbauelemente 5, 7 erreicht wird. Die Photonendichte wächst ziemlich langsam, bis zur Zeit tu ein Schwellwert für den Laser erreicht ist. In dem Zeitintervall von f</bis tf baut sich in relativ kurzer Zeit der Gleichgewichtszustand des Lasers unter Aussendung von Licht auf. Das Zeitintervall zwischen ta und u liegt etwa in der Größenordnung eines Dreißigstels der Zeitdifferenz zwischen found ί<*

Der wesentliche Grund für die relativ lange Zeit, die nö;ig ist, um eine neue nichtaxiale Eigenschwingung mit einem Abtastlaser aufzubauen, ist die geringe Ensrgiedichte in der nichtaxialen Eigenschwingung beim Einschalten. Die Photonendichte ist dort von der Größe der spontanen Emission abhängig. Bei Auswahl einer nichtaxialen Eigenschwingung wird im optischen Resonator ein Lichtstrahl, der sich durch das aktive Lasermedium fortpflanzt und wieder an seinen Aus-

gangspunkt zurückkehrt, verstärkt um den Faktor 1 + λ, wobei λ etwa in der Größenordnung von 0,1 liegt. Die Zeit für Hin- und Rücklauf des Lichtstrahls liegt in der Größe von 2 Nanosekunden für einen typischen Abtastlaserresonator. Wenn wir den Aufbau einer nichtaxialen Eigenschwingung in einem Laser als Funktion der Zeit betrachten, finden wir, daß

j = J₀(I + »γ

(i)

10

ist, worin /die Strahlintensität '.ach η Durchgängen und /0 die anfängliche Intensität bezeichnet. Man kann sagen, daß/0 in der Größenordnung von 10~⁷ Watt liegt, während / in typischer Weise etwa 50 Watt beträgt. Benutzt man zur Abschätzung von η bei diesen beiden Größen die Näherung

so erhält man

In(I

2,303

J J₀

20

(2)

Für die oben angenommenen Werte von J und /0 ergibt das ein η = 200 und damit eine Zeit von 400 Nanosekunden. Im Falle von « = 0,05 ergibt sich eine Zeit von 800 Nanosekunden.

Die vorliegende Erfindung erreicht eine Verringerung der Verzögerungszeit td durch Erhöhung der Photonendichte vom Wert /0 auf einen höheren Wen J] (Fig.4). Wenn man also irgendeine nichtaxiale Eigenschwingung »einschaltet«, ist demnach das benötigte Zeitintervall zum Erreichen der Laserschwelle nur noch t_d- ti statt t_d- I₀.

Dieses wird, wie in F i g. 3 dargestellt, durch die Kopplung eines zweiten Lasers 10 an den Abtastlaser 8 über den Spiegel 5a erreicht, welcher beiden Lasern gemeinsam ist. Korrespondierende Bauelemente in Laser 10 haben dieselben Bezugsziffern wie im Laser 8, jedoch nur mit einem Strich. Der Spiegel 5a wird aber so abgeändert, daß er eine Durchlässigkeit in der Größenordnung von 5% hat, wodurch vom Anreicherungslaser 10 ausgehend ein Energiefluß in den Abtastlaser 8 bewirkt wird. Die aus dem Abtastlaser 8 in den Anreicherungslaser 10 eintretende Energie wird in letzterem verstärkt und kehrt in den Abtastlaser 8 zurück. Der Anreicherungslaser 10 ist in seinem Aufbau im wesentlichen identisch mit dem Abtastlaser 8, außer den fehlenden Auswahlbauelementen für die verschiedenen nichtaxialen Eigenschwingungen und dem fehlenden Polarisator. Dadurch besitzt der Anreicherungslaser 10 eine große Apertur, so daß alle nichtaxialen Eigenschwingungen gleichzeitig wirksam werden. Der Spiegel 12 hat ein großes Reflexionsvermögen, typischerweise 99,75%. Die abgegebene Gesamtleistung des Anreicherungslasers 10 kann ohne große Verlustleistung leicht 10 Watt erreichen. Teilt man diese Leistung auf die 1024 verschiedenen möglichen nichtaxialen Eigenschwingungen des Abtastlasers 8 auf, so ergibt sich 10 Milliwatt für jede nichtaxiale Eigenschwingung. Der Verlust in einer nicht ausgewählten nichtaxialen Eigenschwingung liegt in der Größenordnung von etwa 0,05 pro Durchgang, so daß für jede nichtaxiale Eigenschwingung etwa 0,2 Watt zur Verfügung stehen. In Gleichung (2) würden sich damit JZJ₀ = 250 und mit einem α von 0,1 in der selektierten nichtaxialen Eigenschwingung 110 Nanosekunden für die Verzögerungszeit td ergeben, verglichen mit 400 Nanosekunden für die Verzögerungszeit bekannter Abtastlaser.

Die vorliegende Erfindung ist besonders wichtig für Computer-Abtastspeicher, welche Hologramme mit hohem Informationsgehalt benutzen, da sie die Umschaltung eines Abtastlasers von einer nichtaxialen Eigenschwingung in die andere mit sehr großer Geschwindigkeit erlaubt.

Obwohl das gezeigte Ausführungsbeispiel mit einem ganz speziellen digitalen Abtastlaser arbeitet, kann man ebensogut andere Abtastlaser für die Erfindung verwenden. Sie ist nicht beschränkt auf das oben betrachtete Ausführungsbeispiel. Bei jedem Abtastlaser, dessen anfängliche Photonendichte in einer nichtaxialen Eigenschwingung relativ gering ist, kann die Schaltgeschwindigkeit durch die vorliegende Erfindung beträchtlich erhöht werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Hochgeschwindigkeitsabtastlaser mit in räumlicher Richtung wahlweise degenerierbarem optisehen Resonator in Fabry-Perot-Interferometeranordnung, der bei Erhöhung seiner Güte in einstellbarer Richtung insbesondere durch Anordnen einer wahlweise ansteuerbaren elektrooptischen Kerreffekt-Kristallmatrix, die mit einem Polarisator zusammenwirkt, in den Interferometerstrahlengang eine Laserstrahlung emittiert, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erhöhen der Änderungsgeschwindigkeit der Laserstrahlungsrichtung ein zweiter, als Anreicherungslaser (10) wirkender Laser im Dauerbetrieb über einen teildurchiässigen Spiegel (5a,) mit dem unter Einfluß einer gesonderten Pumpquelle (9) stehenden Abtastlaser (8) gekoppelt ist, so daß in allen möglichen Ausstrahlungsrichtungen die sich nichtaxial ausbildenden Eigenschwingungen des Anreicherungslasers (10) zur Erhöhung der jeweiligen Photonendichte für die selektierbaren, nichtaxialen Eigenschwingungen des Abtastlasers (8) hierin einstrahlbar sind.

2. Hochgeschwindigkeitsabtastlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als aktives Lasermedium (1, Γ) ein Festkörper dient und daß der freie Spiegel (7a) des Abtastlasers (8) ebenfalls teildurchlässig zur Verwendung bei Hologrammausgabe gestaltet ist.